微波放电等离子体点火与助燃研究进展①

陈兆权，王冬雪，夏广庆，张 斌，郝剑昆，徐宗琦

(1．安徽理工大学电气与信息工程学院，淮南 232001;2．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024;3．中国航天科工集团公司第九总体设计部，武汉 430040)

0 引言

有关等离子体辅助燃烧(PAC，plasma-assisted combustion)的历史，可追溯到19世纪所观察到的物理现象，即电场可影响蜡烛的火焰流动。目前，PAC最成熟的应用就是点火和火焰稳定。有关等离子体增强燃烧的应用研究主要包括:(1)点火器;(2)火焰维持;(3)燃料喷嘴;(4)涡流燃烧器;(5)燃料重组与汽化;(6)废气处理等。近年来，新一代等离子体点火器相继涌现。与传统火花塞相比，新型点火器拥有更大的等离子体体积及点火速度，进而更有利于点火。在过去20余年中，等离子体点火研究主要集中在使用短脉冲放电。如Starikovskaia S M、Aleksandrov N L、Kosarev I N等都各自通过相应的高压纳秒脉冲放电点火实验，对等离子体点火机理进行了研究和总结［1－3］;Leonov S B等在实验条件为Ma=2、放电功率大于1 kW时，实现了准直流周期脉冲放电点火［4－6］;Wang F等研发并实现了将脉冲电晕放电用于航天发动机燃烧室点火的新技术等［7］。

微波放电等离子体点火与助燃技术是一项国际上新兴的研究课题方向，其作为一种被用于点火助燃的非平衡等离子体具有诸多优势:(1)放电系统结构简单，无需复杂的磁场约束;(2)无需电极，不仅有助于产生高纯度等离子体，还可延长系统寿命;(3)可在高速气流中维持稳定放电，且活性自由基生成效率高，还可通过合理设计在指定区域放电;(4)在大气压或更高气压下，可得到均匀的等离子体放电等。其主要发展现状正处于理论性验证实验阶段，尽管其机制复杂，研究具有挑战性，距实际工程应用仍需不断探索，却仍吸引了国际上越来越多的资深学者开展相关研究工作。目前，对该方向已有一些研究成果，从发表论文情况来看均为国外单位，如Esakov I I等对亚临界微波流光放电用于喷气式飞机发动机点火开展研究工作，并实现了燃料混合物在低气压、低功率及超音速条件下的成功点火［8－10］;Xing Rao等近年应用其自行研制的同轴凹腔装置，实现了大气压下微波放电点火［11－12］。国内的研究工作才刚刚起步，本文首先总结了国外发展现状，可为国内相关单位和学者提供可借鉴的重要资料，同时也借此文吸引更多国内学者共同投入到该项研究中;其次，根据已有研究基础，提出了国内微波放电等离子体在航空航天发动机点火与助燃领域的研究方向和发展思路。

1 系统组成及工作原理

微波放电等离子体发生系统作为一种新型点火助燃方式，其系统组成主要包括微波能量输入系统、微波传输系统、调谐监测保护系统、工质供应系统及放电腔系统。其中，工质供应系统中原理实验通常使用的气体主要包括空气、氩气、氦气、氮气、甲烷/空气、乙烯/空气等，也可根据实际使用条件的不同，选用相应的实验工质气体。放电腔是整个系统的核心部件，其结构设计直接影响到微波放电的形态特点，以及产生的等离子体是否适用于点火与助燃等关键问题。

根据各国专家学者对其多年来的探索研究，微波放电等离子体可用于点火与助燃的关键因素，可归纳为达到一定功率的微波将气体击穿后，产生大量非热平衡等离子体，其中包含的大量高能电子与各类活性基团通过碰撞作用使分子裂解，产生额外的活化原子团和自由基，由此引起一系列链式反应，从而促进了快速点火，并增强燃烧。

2 研究发展现状

美国与俄罗斯两国在微波放电等离子体点火与助燃的研究工作中起步较早，成果较突出，一些知名学者的独特实验方案设计可供借鉴。本文系统阐述了近期主要研究进展，概括了各典型实验的原理及过程，为今后进一步的研究探索提供了一定的参考和依据。

2．1 美国发展现状

2010年，美国密歇根州立大学研发了一种新型的同轴凹腔装置系统，以甲烷/氧气为工质气体，对直接耦合微波等离子体辅助燃烧开展了一系列研究工作。

2．1．1 辅助燃烧实验

图1为该种独特的反应腔结构，(a)为系统实物图以及甲烷/氧气火焰图(小图为甲烷/氧气火焰图);(b)为相应的结构示意图。反应腔由黄铜材料制作，腔室直径约为35 mm，长度约为30 mm，主要组件包括黄铜气体管燃烧室、可调基板和单极环形天线等。频率为2．45 GHz的微波能量通过同轴电缆传输，应用单极环形天线发射，如图1(b)所示。通过调整火炬、天线和基板的相对位置，获得最优的谐振模式。

图1 同轴凹腔装置实物及其结构Fig．1 The coaxial re-entrant cavity applicator and its structure

分别在甲烷/氧气2种当量比(0．9和1．1)以及2种气流速度(60 sccm和100 sccm)条件下开展实验，采用平面激光诱导荧光(PLIF)，对反应区域的OH自由基实验图像进行分析，监测激发态粒子，由OH光谱测量推导出转动温度。实验结果证明，该种新型微波同轴凹腔装置放电系统，可成功用于甲烷/氧气混合火焰的辅助燃烧。根据微波输入功率的不同，如图2所示，可将放电过程分为明显的3个阶段，分别为“电场阶段”、“过渡阶段”和“全等离子体阶段”［11］。

图2 3种微波功率阶段下的火焰图像(上端)和OH激光诱导荧光图像(下端)(甲烷/氧气当量比为1．1，流速为100 sccm)Fig．2 Emission(top)and OH PLIF(bottom)images of flame vs microwave power with three stages noted(100 sccm total flowrate at equivalence ratio of 1．1)

2．1．2 再燃实验

2011年，Xing Rao等对等离子体自持条件下的再点火问题进行了一系列研究。从实验结果的分析与讨论中得出，在“引燃火焰”熄灭的情况下，等离子体自持放电的条件为直接耦合的化学反应过程已完全发展为弱电离放电阶段，并已有过剩能量进入系统。如果微波功率低于10 W，或者在低温、低电离度、小电离体积、低电场强度的实验条件下，都不能维持等离子体放电。为使再燃发生，电场强度必须达到一定程度，足以完全确保达到弱电离和等离子体自持放电，并伴随着自由基浓度的升高。此时，若气体流速比一般火焰传播速度更高，也可发生再燃［12］。

2．2 俄罗斯发展现状

2．2．1 在超高声速流中的点火实验

2004年，俄罗斯Esakov I等应用一套独特的实验装置，在超高声速流中，以丙烷为工质气体，实现了深度亚临界微波放电中的丙烷点火和燃烧。图3为实验装置示意图，引发放电的金属启动器(Vibrator)被水平放置在空气流中，在金属启动器的尖端电场明显增强，有利于稳定放电，气流方向为由左向右，气流速度逐渐增加到超声速，丙烷通过启动器底座处的小孔进入放电区［8］。

2005年，Esakov I等在先前实验基础上，对实验结果中一系列关键数据进行深入分析得出:11%的电磁波能量被用于实验条件下放电中的空气加热，9%～63%的丙烷燃烧取决于实验条件。放电区域贴近启动器，且燃烧炬呈现一般蓝色，燃烧区域(沿着气流方向)的长度随着速度增加而减小［9］。

图3 由启动器在高速流中引发的深度亚临界微波放电的实验装置示意图Fig．3 Experimental device for investigation of deeply under critical microwave discharge initiated by a vibrator in a high speed flow

2006年，Esakov I等通过多次实验研究，实现了对原有实验装置部分参数的优化，包括引发放电的关键器件启动器的尺寸和形状参数优化，并制定了两套实验方案:方案一是将预混合的丙烷-空气混合气体通过启动器输送，并在启动器出口处点火;方案二是通过启动器鼻口处的小孔预先通入空气，丙烷从启动器底盘处输送，二者混合后，同样由微波放电点火。实验结果显示，后者为更有前景的设计方案，且发现在启动器底盘处使用介质“燃烧室”时，燃烧程度会大幅度增加［10］。

2．2．2 “Tornado”燃烧室实验

2009年，Aleksandrov K V等研发了一种新型反涡流燃烧室，这种设计融合了两种创新技术，包括用于点火的引发流光微波放电技术和反涡流燃烧室内的火焰控制技术。实验结果证实了发生在反涡流燃烧室底盘处的亚临界流光(丝状)微波放电，可被用于燃料/空气混合物的点火。图4为该新型燃烧室的实物照片，其中辐射矩形喇叭的孔径为90 mm×72 mm;放电室由石英管构成，内径为73 mm，壁厚为2 mm。

实验结果得出，在不同实验条件下，产生不同的放电形式。其中，当P=3×105W、E=2．5 kV/cm 时，产生亚临界微波流光放电(SSD);当P=5×104W、E=1 kV/cm时，产生深度亚临界微波流光放电(DSSD)。由图5可看出，2种放电形式各有不同，亚临界流光放电充满整个腔室空间，放电呈辐射状;深度亚临界流光放电几乎只在启动器附近。初步认为，2种放电的点火模式有所不同，放电过程中伴有化学效应和热效应，何种放电形式更具优势，还需进一步深入研究［13］。

图4 “Tornado”燃烧室实验装置Fig．4 Appearance of the experimental setup with the Tornado combustor

图5 电磁启动器位于燃烧室轴线处时引发的放电Fig．5 Discharge appearance at the EM vibrator’s location on the axis of the chamber

2．2．3 大气压反涡流微波等离子体炬

2011年，Lavrov B P等研发了一种新型的同样可用于点火的大气压反涡流微波等离子体炬。其中，反涡流等离子体发生器的独特之处在于放电腔室内部没有任何介质或陶瓷管，更有利于生成无污染的等离子体，且有望实现更长寿命。

图6为实验装置实物照片［14］。

2．3 国内发展现状

大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室在国内率先支持并开展了超燃冲压发动机表面波局域增强流注放电点火助燃的机理研究，联合国内多家单位关于微波放电等离子体点火助燃在航空航天发动机中应用领域正逐步开展一系列的研究工作。已有研究结果表明，以氩气为工质气体，在石英管内适当放置铜丝，可应用表面等离子激元谐振激发产生微波等离子体射流。当输入功率上升至20 W时，在石英管内铜丝末端立即出现几个放电分支［15］。实验中，通过改变放电条件，获得了等离子体的参数分布。测得的实验结果显示，加热层附近的等离子体是由表面等离子激元的表面波激发所致，而下游的等离子体源于扩散效应。此外，表面等离子激元高频振荡的影响是导致加热层附近等离子体呈双麦克斯韦分布的主要原因。该结果对表面波等离子体源的优化设计和应用提供了理论指导［16］。数值模拟了微波等离子体和电磁场分布的细节，结果表明，表面等离子激元的增强电场激发了种子等离子体，其与等离子体的相互作用是产生该种射流形态的主要原因［17］。

图6 等离子体发生器装置及其等离子体炬Fig．6 The plasma generator and the plasma torch appearance

目前，正陆续开展如下工作:

(1)研究高气压、高流速空气微波流注表面波放电的电离机制，建立放电实验模型，进行理论分析，构建放电实验，跟踪探测电子崩的放电发展轨迹，揭示空气微波流注表面波放电的电离机制。

(2)基于脉冲火花放电和封闭部分惰性气体电晕放电产生的大量种子电子和紫外线，可显著降低微波流注表面波放电的起始放电入射功率，实现脉冲火花连锁微波流注表面波放电，深入研究其电离机制。

(3)采用不同燃气当量比、不同流速下，研究脉冲火花连锁微波流注表面波放电点燃燃气混合物的点火过程及燃烧过程的动态变化特性;在燃烧阶段，分析微波放电增强燃烧过程的化学反应情况及影响规律。

(4)进行优化设计，建立脉冲火花连锁微波流注表面波放电点燃燃气混合物的超燃冲压发动机原理样机，达到点火增强燃烧的原理验证。

3 关键技术

微波放电点火的关键技术之一就是要实现等离子体放电点火发生在预期的指定区域［8］。根据放电装置的不同，其对应的设计方案也不同。根据微波放电原理，一般放电腔的外形尺寸以及几何构型主要根据两点进行设计:一是将微波能量耦合到火焰反应区域;二是根据电场传播的数值模拟结果进一步优化。可通过使用COMSOL MultiPhysics等商业软件中的RF电磁求解模块，或编制程序求解麦克斯韦方程，以获得微波发生器内的二维电场分布规律，不断优化使电场在火炬末端和指定区域电场最强，高效地聚焦微波能量。

Esakov I等在超声速来流条件下实现深度亚临界微波放电的实验中，其关键技术主要是用于改变电场分布和引发放电的核心部件启动器的设计。这种启动器要确保放电只在其尾部末端发生，并将丙烷输送至指定的放电区域。按照这种特定的放电要求，将启动器制成前端较厚，以防止放电在该部位发生，尾端制成尖锐形状，以促进引发放电。启动器被固定在一个与自身中心垂直的金属杆上，金属杆被固定在一个由金属屏制成的导电板上，启动器与金属屏的距离为λ/4，这样的设计可使启动器位于驻波电场最大振幅处，有利于气体在较低的发生功率下被击穿［8］。

Aleksandrov K V等研发的反涡流燃烧室在实验中，对放电模式起关键影响的同样是启动器的作用。经实验结果证实，当启动器被放置在燃烧室内表面附近时，引发的是一种类似表面波的放电模式，而当启动器位于腔室中轴时，在不同功率下引发了2种不同放电模式:一种是几乎充满整个腔室的亚临界流光放电;另一种是几乎只附着在启动器附近的深度亚临界流光放电［13］。

4 结束语

微波放电是一种先进的等离子体点火助燃方式，与其他方式相比，拥有独特的优势。微波放电产生的等离子体是非平衡等离子体，其中含有丰富的自由基和高能粒子，大大促进了燃烧中的化学反应，并可在高速气流中维持放电;此外，微波放电系统无电极的优势有助于增加点火助燃装置的使用寿命。实验结果显示，对于不同的放电装置应用相关技术，可实现在特定位置引发点火和辅助燃烧。

当前，普遍认为微波放电等离子体点火助燃是一项具有较大发展潜力和广阔应用前景的先进技术，但迈入工程实际应用，仍存在一些问题，有待进一步的深入研究。比如，微波发生系统自身体积、重量小型化问题，传输系统优化设计技术，以及微波放电效率提高和放电火焰持续时间延长技术等。

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